張九零，朱 壯，范酒源，劉春雨，張瑞江

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063210;3.開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063009)

采空區(qū)自燃是煤礦最常見災(zāi)害事故之一，因此其預(yù)防和治理工作也是煤礦企業(yè)的重要工作內(nèi)容[1-2]。由于均壓防滅火技術(shù)[3]具有原理簡單、不需要查明火源的具體位置、對工作人員無害、不影響生產(chǎn)的正常進行等優(yōu)點[4]，因此為治理煤礦采空區(qū)自燃提供了一條科學(xué)途徑[5]，其技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煤礦自然發(fā)火的防治上[6]。

串草圪旦煤礦6煤層6106綜放工作面[7]，在回采工程中由于開采深度較淺，開采過程中易產(chǎn)生地面裂隙導(dǎo)通采空區(qū)，形成采空區(qū)漏風(fēng)，致使采空區(qū)遺煤氧化，造成回采工作面CO涌出異常。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本文研究采取均壓通風(fēng)技術(shù)防治6106綜放工作面CO異常涌出現(xiàn)象。

1 工程概況

串草圪旦煤礦6106綜放工作面走向長度763 m，傾斜長度為127 m，工作面煤層平均厚度12.7 m，煤層傾角平均5°[7]。隨著開采不斷推進，在89個工作日時，開始發(fā)現(xiàn)工作面CO濃度異常，50～55組液壓支架后立柱CO濃度有時可達到40 ppm，并且工作面CO濃度出現(xiàn)緩慢上升趨勢。

2 均壓滅火技術(shù)應(yīng)用

2.1 6106工作面均壓滅火方案的確定

針對6106綜放工作面CO異常涌出情況，對該區(qū)域采空區(qū)的自燃危險性進行了系統(tǒng)全面的分析，為了確保采煤工作面能夠安全回采、安全回撤，經(jīng)綜合考慮后提出工作面均壓滅火方案[8]。該方案既可以避免工作面受到后部采空區(qū)存在的高溫區(qū)或CO氣體的影響，又能保證采空區(qū)在內(nèi)外壓力基本均衡情況下，漏風(fēng)量盡可能減小，不會因工作面漏風(fēng)過大，而引起采空區(qū)其他地點發(fā)生自燃災(zāi)害[9]。

2.2 均壓通風(fēng)技術(shù)方案確定

2.2.1 均壓通風(fēng)技術(shù)方案

在6106集中主運巷120 m處構(gòu)建三道調(diào)節(jié)風(fēng)門，其風(fēng)門間距不小于5 m，其中兩道風(fēng)門配置閉鎖裝置，實現(xiàn)可控均壓系統(tǒng)。U型壓差計在最外一扇風(fēng)門外安設(shè)。在6煤層主、輔運大巷聯(lián)絡(luò)巷里安設(shè)三臺增壓局扇，沿集中主運巷接導(dǎo)風(fēng)筒穿過調(diào)節(jié)風(fēng)門，然后開啟增壓局扇，關(guān)閉風(fēng)門。使用3臺增壓局扇同時向主運巷供風(fēng)(2臺2×55 kW和1臺2×15 kW為備用風(fēng)機)，并且保證風(fēng)量、風(fēng)壓穩(wěn)定。

在6106輔運巷距邊眼100 m以里構(gòu)建三道調(diào)節(jié)風(fēng)門，風(fēng)門安裝間距不小于5 m，閉鎖裝置安設(shè)在其中兩道風(fēng)門，實現(xiàn)可控均壓系統(tǒng)。在最外一扇風(fēng)門外配置U型壓差計。根據(jù)礦井主扇負壓為750 Pa的實際情況，初步確定壓差計初始正壓控制在250～400 Pa，輔運初始風(fēng)量控制在400～900 m3/min，根據(jù)均壓系統(tǒng)形成后CO涌出的實際情況進行合理調(diào)整。將風(fēng)門過風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié)到600～660 m3/min為理想值。

隨著增壓局扇持續(xù)不斷的向工作面供風(fēng)，增加工作面風(fēng)壓，根據(jù)現(xiàn)場測定進回風(fēng)的風(fēng)量，采取調(diào)節(jié)6106輔運巷調(diào)節(jié)風(fēng)門的方法，到達進回風(fēng)風(fēng)壓基本平衡，達到均壓狀態(tài)，克服CO涌出和地表漏風(fēng)[10]，壓差控制在310～330 Pa，漏風(fēng)量控制在24 m3/min左右。均壓通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

控制效果：通過采取均壓通風(fēng)措施，工作面CO得到了有效管控，工作面上隅角的CO濃度為2 ppm，設(shè)施列車、回風(fēng)流CO濃度均為0 ppm，具備了恢復(fù)生產(chǎn)的基本條件。

2.2.2 生產(chǎn)期間工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整

考慮到工作面輔運巷設(shè)備列車、材料、備件運輸以及行人的需要，將6106輔運巷的三道調(diào)節(jié)風(fēng)門拆除，利用6106集中輔運巷外口的調(diào)節(jié)風(fēng)窗，實現(xiàn)6106工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)。

工作面仍采取均壓通風(fēng)的方法，在保持工作面輔運巷三道調(diào)節(jié)風(fēng)門不變的情況下，提前在6106工作面集中輔運巷回風(fēng)口原有調(diào)節(jié)風(fēng)窗的基礎(chǔ)上增設(shè)二道調(diào)節(jié)風(fēng)門，以此代替輔運巷設(shè)置的三道調(diào)節(jié)風(fēng)門，作為均壓通風(fēng)增阻設(shè)施。

在6106集中回風(fēng)巷加阻，將調(diào)節(jié)風(fēng)窗和調(diào)節(jié)風(fēng)門的過風(fēng)斷面調(diào)到略小于輔運巷三道調(diào)節(jié)風(fēng)門的過風(fēng)斷面，而后根據(jù)現(xiàn)場測定進回風(fēng)的風(fēng)量，調(diào)整回風(fēng)口處調(diào)節(jié)風(fēng)門和調(diào)節(jié)門窗過風(fēng)斷面，工作面進風(fēng)量調(diào)節(jié)到600～720 m3/min，壓差控制在460 Pa左右，控制采空區(qū)漏風(fēng)量在60 m3/min以下，且穩(wěn)定后；調(diào)整工作面輔運巷調(diào)節(jié)風(fēng)門風(fēng)壓，逐漸減阻，最后將輔運巷三道調(diào)節(jié)風(fēng)門拆除。

在調(diào)節(jié)風(fēng)窗外側(cè)安設(shè)U型風(fēng)壓計，將輔運巷調(diào)節(jié)窗兩端的壓差控制在440～480 Pa，監(jiān)測均壓通風(fēng)系統(tǒng)的壓力情況。通風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

治理效果：工作面上隅角的CO濃度為18 ppm，設(shè)施列車的CO濃度為10 ppm，回風(fēng)流CO濃度為8 ppm，確保了工作面的安全生產(chǎn)。

圖1 6106工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 6106 working face pressure equalization ventilation system

圖2 6106工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 6106 working face pressure equalization ventilation system

3 應(yīng)用效果分析

6106工作面走向長度763 m，傾斜長度127 m，在總長度為127 m的工作面上共60根液壓支架。為了實時有效檢測工作面CO濃度的變化，在6106工作面選取了具有代表性的CO濃度監(jiān)測點，其分別為上出口、上隅角、下隅角、20#支架、40#支架、60#支架(其間隔約為40 m)，并在發(fā)現(xiàn)CO后兩天開始，對綜放工作面CO進行了為時7天的初期重點監(jiān)測。檢測初期，各個監(jiān)測點CO濃度都非常高。第三天建立了均壓通風(fēng)系統(tǒng)后，工作面上隅角CO濃度大致為0，工作面開始重新生產(chǎn)。但伴隨著6106工作面推采，工作面上隅角開始出現(xiàn)CO。經(jīng)過數(shù)日細致的跟蹤觀測，受氣壓影響CO濃度白天低夜晚高，回風(fēng)巷的CO濃度大致維持在10 ppm以下，其他地點都在24 ppm以下。同時，6106工作面地表的CO濃度明顯下降。

3.1 上出口、上下隅角效果分析

上出口CO濃度變化曲線如圖3所示。在監(jiān)測初期CO不斷累積，含量不斷升高，兩天內(nèi)濃度一度達到最高值400 ppm，隨后逐步平穩(wěn)，最后降低至0 ppm。局部均壓通風(fēng)技術(shù)措施在監(jiān)測第三天實施，而后CO濃度得到明顯改善，到第四天濃度開始穩(wěn)定在10～25 ppm，第六天降為0 ppm，之后雖有極小波動但很快又變?yōu)? ppm，上出口處CO得到了及時有效的控制。

圖3 上出口CO濃度變化圖Fig.3 Upper exit CO concentration change chart

上隅角、下隅角CO濃度變化如圖4所示。上隅角在監(jiān)測初期CO濃度最開始基本維持在0～200 ppm之間，但隨時間推移CO濃度開始急速回升，晚上達到峰值1 700 ppm，之后又開始下降，最后下降為0，基本保持不變。均壓通風(fēng)技術(shù)措施在第三天實施后，CO濃度出現(xiàn)了短時間急劇上升，可能與煤層吸附突然釋放有關(guān)，但隨著通風(fēng)措施開始發(fā)揮作用，上隅角的CO濃度逐步趨于穩(wěn)定，最終變?yōu)? ppm，只有在第五天凌晨兩點和第六天有略微上升，上隅角的CO濃度得到了有效控制；下隅角在監(jiān)測初期CO濃度開始時為800 ppm，之后又有較大下降，翌日CO濃度到達最高值1 000 ppm，隨后逐漸降低，最終平穩(wěn)至0 ppm，沒有再出現(xiàn)異常。均壓通風(fēng)技術(shù)措施在第三天建立后，CO濃度隨即明顯下降，其涌出量濃度控制在安全范圍之內(nèi)，使險情得到有效管控。

3.2 工作面均壓通風(fēng)效果分析

工作面各支架處CO濃度變化如圖5所示。工作面三處支架監(jiān)測點在監(jiān)測初期，CO濃度變化趨勢大致相同，兩天內(nèi)都有不斷積累增加的趨勢，可能是因為地表裂隙滲出，采煤工作面吸附釋放所致，其中20#支架、60#支架處CO濃度一度達到70 ppm，后20#支架、60#支架處下降趨勢明顯，而40#支架處先升高一度達到42 ppm再下降，次日三處監(jiān)測點CO濃度均為0 ppm。隨后60#支架突然升高至27 ppm，經(jīng)過一段時間下降為0 ppm，之后與其他兩處保持不變。均壓通風(fēng)技術(shù)措施在第三天實施后，根據(jù)各支架處監(jiān)測點的信息反饋，其工作面CO濃度得到了有效治理。其中工作面風(fēng)壓控制在430～460 Pa之間，工作面漏風(fēng)控制在48 m3/min左右，效果最為優(yōu)越，回風(fēng)流濃度也將至為0 ppm，確保了安全開采。

圖4 下隅角、下隅角CO濃度變化圖Fig.4 Change of CO concentration in lower corner and lower corner

圖5 各支架處CO變化趨勢圖Fig.5 CO change trend diagram of each bracket

通過后期持續(xù)跟蹤監(jiān)測，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，6106工作面在應(yīng)用均壓通風(fēng)管理時期，最終將采空區(qū)CO涌出量控制在24 ppm以下，達到了預(yù)期治理效果，確保了工作面安全的開采條件。

4 結(jié) 論

1) 6106工作面在應(yīng)用均壓通風(fēng)管理時期，采空區(qū)漏風(fēng)量控制在1 m3/s以下，最終將采空區(qū)CO涌出量控制在24 ppm以下，效果顯著。

2) 工作面在回采期間，在確保均壓通風(fēng)系統(tǒng)平穩(wěn)、安全的前提下，風(fēng)壓穩(wěn)定在430～480 Pa之間，保證了工作面安全生產(chǎn)開采，達到了治理效果。